Медный шлак — побочный продукт добычи меди путем плавки . Во время плавки примеси превращаются в шлак , который плавает на расплавленном металле. Шлак, закаленный в воде, образует угловатые гранулы, которые утилизируются как отходы или утилизируются, как описано ниже.
Шлаки из руд, которые механически концентрируют перед плавкой, содержат в основном оксиды железа и оксиды кремния.
Медный шлак образуется в процессе выплавки меди. Ежегодно производится около 4,5 миллионов тонн медного шлака. Хотя медный шлак используется при пескоструйной очистке и захоронении мусора, по состоянию на 2015 год его используется только от 15 до 20%. Поскольку это сильно отходный материал, поиск способов его использования в различных отраслях промышленности может сократить общий объем отходов. В одном исследовании, проведенном Школой ресурсов и техники безопасности Центрального Южного университета в Чанше, Китай, медный шлак рассматривается как заполнитель бетона. [1] В данном исследовании конкретно рассматриваются экологические преимущества медного шлака. Выполнив оценку жизненного цикла обычного бетона и бетона с медношлаковым заполнителем, исследователи смогли сравнить выбросы углерода обоих материалов и то, насколько чувствительны материалы к изменениям.
Оценка жизненного цикла проводилась в 4 этапа: цель и объем, инвентарный анализ жизненного цикла, оценка воздействия жизненного цикла и интерпретация жизненного цикла. Целью и масштабом оценки жизненного цикла было оценить воздействие цемента на окружающую среду от «колыбели» до ворота. От колыбели до ворот — это время, когда материалы собираются и доставляются для использования. Анализ запасов жизненного цикла собирает данные о затратах и расходах энергии на протяжении всего процесса создания цемента в пределах цели и объема. Входными данными в этом процессе были сырье и энергия, а выходными — различные выбросы, такие как углекислый газ, окись углерода и т. д. В ходе жизненного цикла была проведена оценка воздействия, нормализация и анализ чувствительности для определения потенциала абиотического истощения (ADP), потенциала глобального потепления (GWP), потенциала токсичности для человека (HTP), потенциала подкисления (AP), потенциала эвтрофикации (EP). и потенциал фотохимического окисления (POP) на протяжении всего производственного процесса. После завершения анализа результаты подтверждаются другими исследованиями в рамках этапа интерпретации жизненного цикла.
Анализ жизненного цикла пришел к выводу, что медношлаковый цемент более устойчив, чем обычный портландцемент. Во всех основных категориях оценки воздействия жизненного цикла, за исключением потенциальной токсичности для человека (HTP), обычный портландцемент оказал более негативное воздействие, чем медный шлак. Более высокий потенциал токсичности медного шлака для человека был вызван электричеством, затрачиваемым на измельчение медного шлака, который имеет некачественную измельчаемость. Наиболее значительное расхождение наблюдалось в категории потенциала абиотического истощения (АДП) - разница 46,5%. ADP – это истощение неживых организмов, таких как ископаемое топливо. Для переработки медного шлака требуется меньше сырья и угля, поэтому интуитивно понятно, что медношлаковый цемент оказывает меньшее влияние на ADP. В целом, общее воздействие портландцемента на окружающую среду было на 13,95% выше, чем медношлакового цемента, что свидетельствует о положительном влиянии использования медношлакового заполнителя.
В 2015 году факультет гражданского строительства Парисутамского института технологий и науки провел исследование поведения заполнителя медного шлака. [2] Целью исследования было проверить жизнеспособность медного шлака как заполнителя. Чтобы увидеть, насколько применим медный шлак в строительной отрасли, были оценены различные соотношения медного шлака и песчаных смесей в бетоне, чтобы понять влияние медного шлака на бетон. Были исследованы такие свойства, как прочность на сжатие, прочность на растяжение, осадка и обрабатываемость.
Влияние медного шлака на прочность бетона при сжатии было обнаружено путем проведения испытаний на прочность при сжатии различных 7- и 28-дневных бетонных смесей. Соотношение медного шлака и песка в каждой смеси варьировалось с шагом 20% от 0% до 100%. Поскольку в каждой смеси содержится уникальное количество меди, можно наблюдать воздействие медного шлака на бетон. Результаты испытаний на прочность на сжатие показали, что прочность на сжатие увеличивается по мере увеличения количества медного шлака в смеси. В течение 28 суток смесь с 0 % медного шлака имела емкость заполнителя 35,66 МПа, тогда как смесь со 100 % медного шлака имела емкость 48,76 МПа.
Медношлаковый заполнитель также был испытан на прочность на разрыв, чтобы понять, как он влияет на растяжение бетона. Параметры испытания были такими же, как и при испытании на сжатие с 7- и 28-дневными смесями с различным количеством медношлаковых агрегатов с шагом 20%. Доказано, что медный шлак увеличивает прочность на разрыв, поскольку смеси с большим количеством медного шлака обладают высокой производительностью. 28-дневная смесь с 0% медношлаковым заполнителем имела емкость 4,75 МПа, а смесь со 100% медным шлаком – 8,64 МПа. В обоих испытаниях также наблюдалась осадка бетона. Осадка – это измерение консистенции бетона до того, как он схватится. Чем выше осадка, тем более текучим. Как и результаты испытаний на прочность, осадка увеличивалась с увеличением содержания медного шлака. Смесь с 0% медным шлаком имела осадку 25 мм, тогда как смесь со 100% медным шлаком имела осадку 82 мм. Такие результаты могут быть обусловлены низким водопоглощением медного шлака (0,16%) по сравнению с песком (1,25%).
По прочности медношлаковый заполнитель является отличной альтернативой песку. Для максимальной прочности идеальна 100% замена медного шлака песком. Однако медный шлак имеет меньшее водопоглощение и создает более высокую осадку, что вызывает кровотечение в бетоне. Кровотечение – это процесс, при котором вода из бетона выталкивается вверх из-за осаждения тяжелых частиц в бетонной смеси. Из-за этой проблемы исследователи рекомендуют использовать соотношение медного шлака к песку до 60%. [3]
Медный шлак в основном используется для струйной очистки поверхностей. Абразивно-струйная очистка применяется для очистки и придания формы поверхности металла, камня, бетона и других материалов. В этом процессе поток абразивных зерен, называемых песком, движется к заготовке. Медный шлак — лишь один из многих различных материалов, которые можно использовать в качестве абразивного песка. Скорость расхода песка, количество образующейся пыли и качество отделки поверхности — вот некоторые из переменных, на которые влияет выбор абразивного материала.
На международном уровне описываемый носитель производится в соответствии со стандартом ISO 11126-3 [4].
Струйные материалы, изготовленные из медного шлака, приносят меньший вред людям и окружающей среде, чем песок. Продукт соответствует самым строгим санитарным и экологическим стандартам.
Медный шлак можно использовать в производстве бетона как частичную замену песка. Медный шлак используется как строительный материал , формуемый в блоки. Такое использование было обычным явлением в районах, где производилась плавка, включая Сент-Хеленс и Корнуолл [5] в Англии . В Швеции (регион Шеллефтео) в качестве дорожно-строительного материала используется кипятившийся и осевший гранулированный медный шлак Болиденского медеплавильного завода. Гранулированный шлак (фракция <3 мм) обладает как изоляционными, так и дренажными свойствами, что позволяет избежать замерзания грунта зимой, что, в свою очередь, предотвращает образование трещин в дорожном покрытии. Использование этого шлака сокращает использование первичных материалов, а также уменьшает глубину строительства, что, в свою очередь, снижает потребность в энергии в здании. По этим же причинам гранулированный шлак применяется в качестве наполнителя и изоляционного материала в фундаментах домов в холодном климате. Многочисленные дома в этом же районе построены на утепленном шлаком фундаменте. [6]
Тяжелый бетон обладает превосходной защитной способностью, поскольку увеличивает плотность смесей. Фактически, использование материалов высокой плотности в качестве заполнителя играет важную роль в повышении способности бетона к затуханию, поскольку заполнители составляют около трех четвертей объема бетона. Высокий атомный номер таких материалов способствует поглощению и замедлению нейтронов гамма-лучей, что, в свою очередь, уменьшает глубину проникновения вредных гамма-лучей внутрь бетона. Использование тяжелого бетона устраняет необходимость в толстых стенах, которые служат архитектурными препятствиями и ограничивают доступное пространство. В этом исследовании бетонные смеси были приготовлены с различным процентным содержанием GGBFS и CS в качестве частичной замены цемента и природного мелкого заполнителя соответственно. Бетонные смеси подвергались воздействию точечных источников 137Cs и 60Co. Радиационную защиту бетонных смесей оценивали по линейному коэффициенту затухания (μ) и половинному слою (HVL). Использование ГГБФС в качестве частичной замены цемента в целом приводило к незначительному увеличению коэффициента линейного затухания смесей. С другой стороны, влияние CS на коэффициент линейного затухания было более выраженным, поскольку коэффициент линейного затухания увеличился на 31% при использовании тяжелых агрегатов CS. Результаты испытаний подтвердили, что частичная замена природного песка CS дополнительно снижает толщину слоя половинной стоимости (HVL). Результаты показали, что бетон, изготовленный из 60% GGBFS и 100% CS, демонстрирует превосходную способность к радиационной защите и удовлетворяет требованиям прочности для строительных конструкций. Поэтому он подходит для радиационной защиты таких сооружений, как медицинские центры. [7]